图1 具有频率感知的多功能自适应反射式电磁超表面示意图
1. 导读
电磁超表面由于具有低损耗、低成本、低剖面、易共形和集成等优点引起了广泛的关注，并提出了大量可调或可重构的超表面来实现电磁波的动态和多功能操控。最近，能够自适应感知外部环境并主动动态调节电磁特性已经成为重要的研究热点。一些具有自适应和自调谐能力的智能传感超表面相继被提出。自适应超表面主要包含传感和反馈两个部分，构成一个闭环系统，因此可以自适应调整有源器件从而控制电磁波而无需任何手动控制或干预。然而，用于电磁波自适应操纵的频率识别智能超表面尚未得到研究。此外，人工设计的电磁超表面都有一定的工作带宽。因此，在无人值守的情况下不可能实现对极窄频段空间电磁波进行多样化、剧烈变化性能的调控。
针对这些问题，近日东南大学毫米波国家重点实验室王海鹏博士、李允博副研究员、金石教授和崔铁军教授等在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种频率识别智能超表面系统，可用于自适应控制空间电磁波（见图1）。通过设计具有2bit相位和1bit幅度独立编码控制能力的有源超表面单元，结合射频频率感知模块和自适应反馈控制系统，可以实时、精确控制窄带频率下的空间电磁波。实验结果表明，在无需任何人工参与情况下，该自适应超表面可以0.02 GHz的分辨率快速识别入射波频率，并在超窄带频段自适应地实现自定义的功能来操纵反射波，如吸波、全反射、波束偏折和随机散射等。
该研究成果通过应用捷变频率特性变化，可以在单传感器成像、先进体制雷达和通信系统多功能频谱复用等领域的研究与应用提供新思路。
2. 研究背景
最近，能够自适应感知外部环境并主动动态调节电磁特性已经成为重要的研究热点。一些具有自适应和自调谐能力的智能传感超表面相继被提出，包括集成了陀螺仪传感器和自适应反馈系统的超表面可在超表面自身的不同旋转角度下均将反射电磁波偏折到固定的空间位置；以及智能隐身斗篷，可利用预先训练好的神经网络在不断变化角度的入射波和不同的环境背景下自适应实现隐身。此外，根据应用场景，也有通过射频功率和热传感形式来操纵微波响应的其他自适应超表面。上述工作均无需人为对其进行干预。
人工设计的电磁超表面具有的功能一般情况下都有一定的工作带宽。因此，在无人值守的情况下，即在没有主动有源控制和人为干预的前提下，不可能实现对极窄频段空间电磁波进行多样化、剧烈变化性能的调控。为实现这一目标，超表面应设计成具有可识别和自适应能力，这意味着它可以感知入射波的频率，然后自动反馈和调整以满足特定功能设计要求。同时需要设计具有独立幅度和相位控制的反射式电磁超表面也是一个挑战。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种频率识别智能电磁超表面，可用于自适应控制空间电磁波。该电磁超表面中心位置单元是系统中唯一的传感单元并与射频频率感知模块连接，负责接收和测量入射电磁波的频率（见图1）。在自适应反馈控制模块的操作下，所有偏置电压都会自动计算得到并立即提供给超表面。因此，在识别不同频率的入射波后，智能超表面系统能够自适应地实现吸收、反射、波束偏折和随机散射等定制功能（见图1）。为了实现相应的反馈调节功能，通过调节加载到超表面的变容二极管直流偏置电压来实现有源超表面单反射幅度和相位响应。
研究人员首先提出了一种具有特殊设计的反射式超表面单元以实现反射幅度和相位的独立控制（见图2），单元顶层金属贴片由三环结构组成，其中外环为开口环，两个内环为闭环。为了将相位和幅度控制保持在同一频段，内环选择带有蜿蜒线的金属环，可有效地增加等效电感，使其与外环保持一致。因此，对于这种谐振型反射单元，主要通过改变外环之间加载的变容二极管的电容来调整反射相位，内环加载的二极管负责调节反射幅度。基于电磁仿真计算和单元波导实验测试结果均证明了该单元设计可实现1bit反射幅度响应和2bit反射相位响应的独立控制。
图2 具有反射幅度和相位响应独立可调的可重构超表面单元
随后，研究人员对电磁超表面的中心传感单元进行单独设计，即在原始单元中间焊接变容二极管的位置（两个内环之间的间隙处）设计了一个传感点，并焊接SMA连接器替代变容二极管。通过该传感单元中的两个金属内贴片捕获的空间入射能量通过SMA连接器进入频率感知模块。其主要由低噪声放大器（LNA）、三个分频器、精密频率电压转换器和模数转换器（ADC）组成。频率感知模块的输出与入射波的频率呈线性关系直流电压信号，并通过使用ADC获得入射波的频率信息，之后通过自行设计的自适应反馈控制系统（由微控制器和可编程直流电源组成）改变变容二极管电压偏置来动态控制和切换超表面功能。实验结果从图3中可以看出，对应预定义频率可以准确识别频率并实现吸波（5.36 GHz）、反射（5.38 GHz）、-30度偏折（5.40 GHz）、随机散射（5.42 GHz）、+30度偏折（5.44 GHz）、吸波（5.46 GHz）、随机散射（5.48 GHz）、反射（5.50 GHz）、吸波（5.52 GHz）。
图3 实验结果,分别在5.36 GHz至5.52 GHz 的不同频率下测量的自定义电磁功能（散射模式或反射谱）
4. 应用与展望
研究团队提出的具有频率识别功能的智能超表面，它可以在窄带频率下自适应地操纵具有自定义功能的空间电磁波，并在未来可以扩展到感知多极化、多波段下的频率，并提高电磁超表面幅相独立控制能力，实现更多电磁功能，如全息和轨道角动量（OAM）波。具有频率感知的自适应电磁超表面在单传感器成像、先进体制雷达和通信系统多功能频谱复用等领域都有广阔的应用前景。
该研究成果以“Intelligent metasurface with frequency recognition for adaptive manipulation of electromagnetic wave”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者是Hai Peng Wang, Yun Bo Li, He Li, Jia Lin Shen, Shu Yue Dong, Shi Yu Wang, Kai Nan Qi, Qian Ma, Shi Jin, Tie Jun Cui, 其中李允博副研究员、金石教授和崔铁军教授为共同通讯作者。
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